基于串級(jí)控制系統(tǒng)控制液位的設(shè)計(jì)與分析

畢 濤，劉 迪，楊莉莉

應(yīng)用研究

基于串級(jí)控制系統(tǒng)控制液位的設(shè)計(jì)與分析

畢 濤，劉 迪，楊莉莉

（海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東煙臺(tái) 264001）

串級(jí)控制系統(tǒng)是一個(gè)雙回路系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是把兩個(gè)控制器串接起來(lái)，通過(guò)它們的協(xié)調(diào)工作，使一個(gè)被調(diào)量準(zhǔn)確保持為設(shè)定值。串級(jí)系統(tǒng)主回路的輸出用來(lái)改變副回路的設(shè)定值，起到校正的作用，副回路的任務(wù)是快速抵消落在其中的擾動(dòng)，提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。通過(guò)仿真分析，串級(jí)控制系統(tǒng)抗干擾能力比較強(qiáng)，曲線的波動(dòng)不大，具有超調(diào)量比較小和過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間較短等特點(diǎn)。穩(wěn)定性得到了提高，控制效果比較好，通過(guò)對(duì)比可以看出，控制效果明顯優(yōu)于相對(duì)簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)，從中可以體現(xiàn)出串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。

串級(jí)控制系統(tǒng) 超調(diào)量 動(dòng)態(tài)性能 響應(yīng) 干擾

0 引言

在最初的生產(chǎn)建設(shè)中，主要采用單回路系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。隨著被控對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)控制質(zhì)量的要求也變得越來(lái)越高，單回路控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足控制要求。單回路控制系統(tǒng)內(nèi)部只包含一個(gè)控制器，控制器用來(lái)保持一個(gè)控制參數(shù)恒定，該控制器只接收一個(gè)信號(hào)，它的輸出只控制一個(gè)被控對(duì)象。但是，單回路控制系統(tǒng)也有它自身的弱點(diǎn)，如果被控對(duì)象是非線性的，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，被控對(duì)象的特性就會(huì)改變。這樣就導(dǎo)致之前的控制參數(shù)不再適應(yīng)，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。因此，為了提高控制的質(zhì)量，保證控制系統(tǒng)的高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行，需要更加先進(jìn)和優(yōu)秀的控制系統(tǒng)。伴隨著工藝和科技的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，很多優(yōu)秀的控制系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來(lái)，串級(jí)控制系統(tǒng)就是其中之一。串級(jí)控制系統(tǒng)是將兩個(gè)控制器串聯(lián)起來(lái)，它由主回路和副回路兩個(gè)回路構(gòu)成。相互之間協(xié)調(diào)工作，一個(gè)控制器的輸出控制另一個(gè)控制器的設(shè)定值[1～5]。

1 串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理

串級(jí)控制系統(tǒng)是將兩個(gè)控制器串聯(lián)起來(lái)，相互之間協(xié)調(diào)工作，使一個(gè)被控量準(zhǔn)確保持為設(shè)定值。它由主回路和副回路兩個(gè)回路構(gòu)成。副回路的主要任務(wù)是通過(guò)副控制器快速抵消落在其中的擾動(dòng)，通過(guò)這種方法可以使干擾的影響減少許多倍。主回路的輸出用來(lái)改變副回路的設(shè)定值，起到校正的作用，同時(shí)它還起到抑制和抵消副回路以外干擾的作用，使被控量準(zhǔn)確保持為設(shè)定值[6-10]。串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)圖中的被控對(duì)象為兩個(gè)一階的慣性環(huán)節(jié)，控制器是比例調(diào)節(jié)，傳遞函數(shù)為：

副回路的傳遞函數(shù)為：

通過(guò)推導(dǎo)可以看出，2減小1+2倍。由于控制器是一階慣性環(huán)節(jié)，2的值可以取得比較大。在控制系統(tǒng)中，誤差信號(hào)的敏感程度是由主回路放大系數(shù)的數(shù)值來(lái)決定的。放大系數(shù)調(diào)整的更大對(duì)提高系統(tǒng)的抗干擾能力是有益處的。副回路的抗干擾能力要比主回路的抗干擾能力要強(qiáng)大。主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的設(shè)定值隨主控制器的輸出而變化。這樣主控制器就可以按照負(fù)荷的變化調(diào)整控制器的設(shè)定值，從而保證控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量[11～15]。

2 串級(jí)控制系統(tǒng)的整定原則

在控制系統(tǒng)中，偏差信號(hào)的敏感程度是由放大系數(shù)值來(lái)決定的。這也反應(yīng)了控制系統(tǒng)的抗干擾能力。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，增加了一個(gè)副回路，當(dāng)干擾落在副回路中時(shí)，系統(tǒng)的抗干擾能力要比單回路控制系統(tǒng)有所增強(qiáng)。在單回路控制系統(tǒng)中，如果被控對(duì)象是非線性的，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，被控對(duì)象的特性就會(huì)改變。這樣之前的控制參數(shù)不再適應(yīng)了，導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，但副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。它的設(shè)定值是隨主控制器的輸出而變化的。這樣主控制器就可以根據(jù)負(fù)載的變化相應(yīng)的調(diào)整設(shè)定值，使控制系統(tǒng)仍具有較好的控制質(zhì)量。串級(jí)控制系統(tǒng)的整定要比單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜，兩個(gè)控制器串聯(lián)在一個(gè)系統(tǒng)中，相互之間會(huì)有些影響。在調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)，要加大副控制器的增益，提高副回路的工作頻率。使主回路和副回路的頻率錯(cuò)開(kāi)，以減少彼此之間的影響，提高控制的質(zhì)量。通常，副回路的被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)較小，而副回路以外的被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)較大，主回路和副回路的工作頻率相差較大。調(diào)節(jié)控制參數(shù)時(shí)，先除去主控制器，在主回路斷開(kāi)的情況下，調(diào)節(jié)副回路控制器的參數(shù)，等到調(diào)節(jié)完畢后，加上副回路外的被控對(duì)象，再按照常用的方法調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。通常，串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)副回路的控制質(zhì)量指標(biāo)沒(méi)有嚴(yán)格的要求，而主回路的控制標(biāo)準(zhǔn)要求比較高。在調(diào)節(jié)控制參數(shù)時(shí)，只要保證好主回路的控制質(zhì)量指標(biāo)，副回路的控制標(biāo)準(zhǔn)可以降低一些[16～20]。

3 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液位串級(jí)控制系統(tǒng)如圖2所示。閥門的開(kāi)關(guān)程度是控制系統(tǒng)的重要參數(shù)。為了保證儲(chǔ)水箱里的液位恒定，傳感器可以測(cè)量液位的實(shí)際高度。當(dāng)注入水箱里的水發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，控制器開(kāi)始動(dòng)作來(lái)控制水的流量，但是要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的滯后才能起作用，這樣不能及時(shí)反映調(diào)節(jié)效果，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行會(huì)造成影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，再加入一個(gè)副控制器，構(gòu)成一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)，當(dāng)注入到水箱里的水發(fā)生擾動(dòng)，副控制器率先反映出流量的變化，而主控制器的輸出用來(lái)改變副控制器的設(shè)定值，起到校正的作用，減少了擾動(dòng)對(duì)液位變化的影響，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)[16-18]。主控制器與副控制器相互之間協(xié)調(diào)工作，主控制器有獨(dú)立的設(shè)定值，而副控制器控制水的流量。副回路的主要任務(wù)是通過(guò)副控制器快速抵消落在其中的擾動(dòng)，一般采用PID進(jìn)行控制。主回路的輸出用來(lái)改變副回路的設(shè)定值，起到校正的作用，一般采用PI控制。在實(shí)際當(dāng)中，主回路和副回路的工作頻率是不同的。運(yùn)行時(shí)應(yīng)該提高副回路的工作頻率，使主回路和副回路的頻率區(qū)別開(kāi)，以降低它們之間的影響，提高控制質(zhì)量。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，對(duì)主回路的指標(biāo)要求比較嚴(yán)格，副回路的要求是快速抑制干擾，只要保證了主回路的控制指標(biāo)，副回路可以相應(yīng)降低一些[21～26]。

圖2 液位串級(jí)控制系統(tǒng)

4 仿真說(shuō)明

圖3 單回路控制系統(tǒng)SIMULINK模型圖

圖3是一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，里面只包含一個(gè)PID控制器，在中間環(huán)節(jié)加入了一個(gè)階躍干擾以后，從圖4中可以看出波形的振蕩比較大，超調(diào)量較大，曲線的波動(dòng)比較大，過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)，穩(wěn)定性和魯棒性都比較差。這說(shuō)明單回路控制系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制作用比較弱。

圖4 單回路控制系統(tǒng)的仿真

圖5 串級(jí)控制系統(tǒng)SIMULINK模型圖

圖6 串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真

串級(jí)控制系統(tǒng)SIMULINK模型圖如圖5所示，串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真波形如圖6所示。在副回路中的PI控制器：比例系數(shù)(P)選擇5，積分時(shí)間(I)選擇3；在主回路的PID控制器：比例系數(shù)(P)選擇5，積分時(shí)間(I)選擇2，微分時(shí)間(D)選擇1。主回路的輸出用來(lái)改變副回路的設(shè)定值，起到校正的作用，副回路的任務(wù)是快速抵消落在其中的擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。在主回路中采用PID控制器，在副回路中采用PI控制器，對(duì)主回路整定，對(duì)副回路微調(diào)。從仿真曲線可以看出，在副回路中加入一個(gè)階躍干擾以后，串級(jí)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程比較平穩(wěn)，超調(diào)量比較小，曲線的波動(dòng)不大，穩(wěn)定性比較好，體現(xiàn)出較強(qiáng)的抗干擾能力和適應(yīng)性，控制效果明顯優(yōu)于相對(duì)簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)，體現(xiàn)出串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。

5 結(jié)論

串級(jí)控制系統(tǒng)是將兩個(gè)控制器串聯(lián)起來(lái)，相互之間協(xié)調(diào)工作，使一個(gè)被控量準(zhǔn)確保持為設(shè)定值。它由主回路和副回路兩個(gè)回路構(gòu)成。主回路的輸出用來(lái)改變副回路的設(shè)定值，起到校正的作用，副回路的任務(wù)是快速抵消落在其中的擾動(dòng)。通過(guò)仿真分析，利用MATLAB語(yǔ)言中的SIMULINK模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，串級(jí)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程比較平穩(wěn)，超調(diào)量比較小，穩(wěn)定性好，體現(xiàn)出較強(qiáng)的抗干擾能力和適應(yīng)性。通過(guò)對(duì)比可以看出，控制效果明顯優(yōu)于相對(duì)簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)，從中可以體現(xiàn)出串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。

[1] 盧春華, 王頔. 基于數(shù)字PID的雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用能源技術(shù), 2019(1): 51-52.

[2] 劉春蕾, 宋盼想等. 基于串級(jí)控制的電加熱固體儲(chǔ)能供熱控制系統(tǒng)研究[J]. 河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2020, 38(1): 111-115.

[3] 王志剛, 虎恩典, 王寧. 基于PLC的雙容水箱液位串級(jí)PID控制的實(shí)現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2014. 22(22): 131-133.

[4] 陳圣桂, 王超, 朱鵬遠(yuǎn)等. 基于模糊自適應(yīng)PID的熱交換器溫度控制仿真[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2017, 30(8): 105-106.

[5] 萬(wàn)敏. 串級(jí)控制系統(tǒng)中控制器正反作用選擇的一種改進(jìn)教學(xué)方法[J]. 教育現(xiàn)代化, 2020, 46(6): 68-70.

[6] 盧明陽(yáng). 基于Labview與Simulink的過(guò)程控制仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J]. 電子制作, 2015(9): 3-4.

[7] 武彬, 張欒英. 模糊自整定PID控制在主汽溫控制中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2015, 32(2): 387-390.

[8] 胡浩, 王洪誠(chéng). 趙全基于串級(jí)控制的加熱爐Smith預(yù)估溫度控制系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2014, 33（12）: 6-8.

[9] 羅及紅. 基于PID算法的爐窯溫度串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與制, 2012, 20(12): 3243-3245.

[10] 盧春華, 石峰, 范六燦. 雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 山東工業(yè)技術(shù), 2018(13): 23-25.

[11] 帕孜來(lái)·馬合木提, 楊華偉. 基于DCS的電鍋爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2016(3): 82-85.

[12] 孫歡歡, 莫樂(lè)平等. 基于組態(tài)王的水箱液位PID控制設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2016, 4: 102-104.

[13] 肖寶森.基于PLC的鍋爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 三明學(xué)院學(xué)報(bào), 2017, 34(2): 63-68.

[14] 王剛, 陸海榮,白緒濤等. 模糊自適應(yīng)PID控制在主汽溫控制中的應(yīng)用研究[J]. 電力安全技術(shù), 2017, 19(11): 40-43.

[15] 陳雷, 雷松澤, 楊麗娟. 基于PID的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 通訊世界, 2014(5): 876-878.

[16] 馬永光, 毛求福. 基于DMC-PID串級(jí)控制的超臨界機(jī)組給水系統(tǒng)研究[J].電力科學(xué)與工程, 2018, 34(7): 61-67.

[17] 宋清昆, 曹劍坤, 韓笑. 關(guān)于三容水箱系統(tǒng)水量液位優(yōu)化控制研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2016, 05: 330-334.

[18] 張?zhí)煊? 調(diào)節(jié)器正反作用的判定方法[J]. 化工設(shè)計(jì), 2019, 29(4): 38-42.

[19] 吳成渝, 王超, 李斌. 模糊自適應(yīng)PID串級(jí)控制在主汽溫控制中的應(yīng)用[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2018, 26(22): 122-125.

[20] 董海兵, 羅雪蓮. 基于組態(tài)監(jiān)控技術(shù)的水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2018, 25(3): 47-52.

[21] 劉春勝, 王劭伯. 串級(jí)控制在鍋爐主蒸汽溫度控制中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2006, 19(9): 29-30.

[22] 王啟志, 王曉霞, 王永初. 一種自適應(yīng)模糊串級(jí)控制仿真[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2003, 20(3): 65-68.

[23] 萬(wàn)敏.串級(jí)控制系統(tǒng)中控制器正反作用選擇的一種改進(jìn)教學(xué)方法[J]. 教育現(xiàn)代化, 2020, 6(46): 68-70.

[24] 左兵, 楊小健.串級(jí)控制在PLC控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2005, 18(4): 1-3.

[25] 楊森, 劉真. 淺談自控系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)正反作用的判定[J]. 山東化工, 2015, 44(18): 96-97.

[26] 張?zhí)煊? 調(diào)節(jié)器正反作用的判定方法[J]. 化工設(shè)計(jì), 2019, 29(4): 38-42.

Design and analysis of liquid level control based on cascade control system

Bi Tao, Liu Di, Yang Lili

(School of Basic Science for Aviation Naval Aeronautical University, Yantai 264001, Shandong, China)

TP253

A

1003-4862（2022）01-0001-04

2021-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（51377168）

畢濤（1986-），男，講師。主要從事電氣工程自動(dòng)化。Email：liudi5388466@163.com